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PROTOTIPADO Y ENSAYO DE UN MODELO A ESCALA DEBOMBA-TURBINA INTEGRAL

Autora: Urbina Soguero, Cayetana de.

Directores: Arenas Pinilla, Eva.; Cantizano Gonzlez, Alexis.; Porras Galn, Jos.

Entidad colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.

RESMEN DEL PROYECTO

El concepto de bomba-turbina surge a partir del objetivo de disponer de unaturbomquina combinada, es decir, una mquina compuesta de una turbina axial y una

bomba radial. Con ella se pretende bombear de forma autnoma sin la necesidad de un

motor externo, abasteciendo de agua a zonas que no tienen fcil acceso a la electricidad.A partir de diseos conceptuales anteriores, con este proyecto se pretende llevar a cabola fabricacin de un prototipo de bomba-turbina mediante tcnicas de fabricacin aditiva.Entre los objetivos fundamentales del proyecto se encuentran el diseo de todas las piezasde la bomba-turbina en 3D, para poder disponer de unos archivos en los que realizarmodificaciones rpida y fcilmente, y constituye el primer paso para la fabricacin del

prototipo; la fabricacin del prototipo mediante SLS y FDM, procesos de fabricacinaditiva; el ensayo de la mquina en el laboratorio; y, el posterior anlisis de los resultados.

Estado del arte

Ideas similares a la bomba-turbina se han encontrado a lo largo de la historia, conla rueda hidrulica y la bomba espiral, y, actualmente con la bomba Barsha. La ruedahidrulica fue un artilugio que tuvo un gran impacto durante la Edad Media, ya que

permita aprovechar la fuerza que un ro ejerca en las paletas para elevar agua. Seconsidera la antecesora de las turbinas, ya que transforma la energa de fluido en energamecnica. Las primeras norias tenan los labes rectos, posteriormente evolucionaronhacia una forma parablica, ya que se observ que captaban con mayor intensidad lacorriente de agua. A finales del siglo XVIII comenzaron a surgir las primeras turbinas,durante la Revolucin Industrial tuvieron un papel importante, ya que surgi el inters de

producir de energa elctrica. A pesar de que el rendimiento de las turbinas era muchomayor que el de las ruedas, su uso no se extingui completamente, y se sigui utilizando

en determinados sitios para moler grano o elevar agua para cultivos. La bomba-turbinatiene el mismo objetivo que la rueda hidrulica, ambas usan la fuerza de una masa deagua y la transforman en energa para bombear. Se diferencian en que el sistema mecnicode elevacin de agua de la rueda hidrulica se sustituye por el cambio de presin que se

produce en la bomba radial que compone la bomba-turbina.

La bomba Barsha es un invento desarrollado por una start-up holandesa, quepersigue un objetivo similar a la bomba-turbina. Se trata de una mquina destinada apequeos y medianos cultivos, como alternativa sostenible a las bombas actuales. Elfuncionamiento de la bomba Barsha se basa en la bomba espiral, que se caracteriza portener un tubo enrollado en un eje horizontal, uno de los lados est abierto y se sumergeen el agua una vez por revolucin, por ello parte de la espiral se llena de agua y otra de


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aire. La parte ms crtica se considera la articulacin giratoria que necesita a la salida, yaque la bomba gira mientras que la tubera permanece quieta.

Una solucin similar se llev a cabo en Zambia, donde la Universidad de Seattleconstruy una mquina parecida con el objetivo de proporcionar agua a los habitantes de

una poblacin. Se valoraron distintas opciones, desde bombas centrfugas hasta unabomba de ariete, pero la opcin ms econmica fue una bomba espiral accionadamediante una rueda hidrulica.

Por otro lado, el rea de fabricacin aditiva como un modo de creacin deprototipos comienza a ser un sector en crecimiento. Empieza a ser un modo rpido parala creacin de piezas complejas como es el caso de una bomba o turbina con labes. Sehan llevado a cabo numerosos estudios con el objetivo de analizar los procesos existentesen fabricacin aditiva. Un ejemplo es la creacin de un rodete de una bomba regenerativa,que se caracteriza por tener una geometra compleja, y se lleg a la conclusin que parafabricar el prototipo un modo rpido y eficiente sera mediante tcnicas de fabricacin

aditiva. En este estudio se fabric un prototipo por varias tcnicas, cabe destacar elproceso FDM, que se utiliza en este proyecto, que consiste en la utilizacin de ABS,termoplstico muy resistente. Al calentarlo unos grados por encima de su punto detransicin vtrea, el material se enfra rpidamente y se queda solidificado sobre la capaanterior. Una vez la capa est completa la plataforma se desplaza hacia abajo y el procesose repite. La conclusin de este estudio fue que esta tecnologa era la nica capaz defabricar el prototipo para su uso directo.

Otro estudio llevado a cabo fue la fabricacin de un rodete de bomba axial desangre, que debido a su forma compleja se busc crear el prototipo mediante fabricacinaditiva, como SLS, SLA o FDM. Una de las formas analizadas fue SLS, proceso queconsiste en inyectar una capa de polvo y un lser hace que se derrita, una vez la primeracapa est hecha, la plataforma desciende, repitiendo el proceso. Este proceso no necesitamaterial de soporte, ya que el propio polvo ejerce como apoyo. La conclusin a la que sellega es la importancia que tiene la colocacin de las piezas en la mquina, ya que ladireccin del lser influye en la rugosidad que se obtiene de ellas. La bomba-turbina seha fabricado en su totalidad mediante SLS, el material utilizado ha sido poliamida.Tambin se ha realizado un modelo de rodete mediante FDM, que ha habido que sometera un proceso qumico de acetona para volver la pieza estanca y reducir su rugosidad.

Fabricacin

La bomba-turbina consta de un rodete, que est formado a su vez por una turbinaaxial y una bomba radial; dos tambores, uno de entrada y otro de salida; dos tapas cnicas,que reducen las prdidas de carga; y una voluta, que para su fabricacin se ha dividido endos partes y contiene el cono difusor.

El primer paso que se ha llevado a cabo para la fabricacin del prototipo ha sidola creacin de todos los diseos de las piezas en 3D, el software utilizado ha sidoSolidEdge. Se ha cumplido el objetivo de disponer de unos archivos accesibles sobre losque realizar cambios de una manera fcil y rpida, ya que el segundo modelo de rodetese cambi en muy poco tiempo y se fabric mediante FDM.


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Figura I: Rodete diseando en SolidEdge

Para la fabricacin del prototipo se ha tenido que aplicar una escala de 1/5, ya quelas dimensiones del modelo real no caban en una impresora 3D. Por ello ha habido querevisar espesores crticos, que se han considerado aquellos que son difciles de fabricar

por la tolerancia de la mquina 3D.

Partes crticas durante la fabricacin han sido los labes de la turbina y de labomba. Para los labes de la bomba se ha utilizado un trazado de labes por puntos, esdecir, mediante una curva por la que se establece el espesor de cada labe para un radioy ngulo determinado. Para la turbina se han utilizado unos perfiles Gttingen 682. El

diseo de la turbina se ha hecho mediante cinco desarrollos cilndricos coaxiales quesirvieron para determinar la curvatura de los labes y as establecer sus parmetros comola cuerda y su ngulo de ataque. En la Tabla I se pueden observar las medidas de loslabes para los cinco dimetros, utilizada para disear la turbina en SolidEdge.

Dimetros (mm) Cuerda (mm) e () e(rad)

dc 31,6 44 -37,0 -0,6

dx 50 42 -28,0 -0,5

dm 68,6 38 -23,3 -0,4

dy 87 34 -20,3 -0,4

dp 105,4 32 -17,9 -0,3Tabla I: Dimensiones labes de la turbina

Otra parte importante de la bomba-turbina lo constituye la voluta o caja espiral,que se encarga de transformar la energa cintica en energa de presin, recogiendo elfluido a lo largo de los 360. Se trata de una caja espiral con seccin trapezoidal. En launin de la voluta con el rodete se ha hecho un cierre laberntico para evitar fugas de lazona de alta presin a la de baja.

El resto de partes seran los tambores de entrada y salida, que contienen losalojamientos de los rodamientos y dan consistencia al conjunto, tambin contienen unos

labes NACA 0018; y, las tapas cnicas que disminuyen las prdidas de carga.


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Una vez se han tenido los diseos se ha fabricado el prototipo mediante SLS, comodurante el proceso se utiliza polvo que se derrite con un lser las piezas han tenido quelimpiarse, como ejemplo los labes de la bomba venan sellados. Cabe mencionar laimportancia de la posicin de las piezas en la mquina, lo que puede hacer que no sefabriquen con unas tolerancias ajustadas y que presenten una rugosidad mayor, como es

el caso de la voluta en la que se observaba un ligero alabeo.

Figura II: Prototipo fabricado mediante SLS

Ensayo

Se han realizado dos ensayos, uno primitivo en el que el objetivo era evaluar elcomportamiento de la bomba-turbina despus de su ensamblaje; y otro ensayo en el quese ha construido una minipresa, en el cual la bomba ha dado una altura menor a laesperada.

Conclusiones

La primera conclusin a la que se llega comparando el prototipo fabricadomediante SLS del modelo, es la importancia que adquieren las tolerancias de la mquina3D que hace que las dimensiones del prototipo difieran, en algunos casos de formarelevante, de las tericas del diseo. A esto se le suma el efecto de la posicin durante la

fabricacin de las diferentes piezas, lo que hace que adquieran una rugosidad mayor yque se cometan errores de fabricacin. Ante la rugosidad, ya que afecta a las prdidas decarga, una posible solucin es un tratamiento posterior de mecanizado o un lijado seguidode un bao en pintura, aunque debido a la geometra compleja de la bomba-turbina, demomento, no se han valorado ninguno de los dos procesos. Por otro lado, el rodetefabricado mediante FDM, adems de presentar mayor rugosidad, no es estanco al agua.Esto se resuelve sometindolo a un bao de acetona que reduce el material y, porconsiguiente, las fugas aumentan.

En ambos casos, se ha conseguido una buena distribucin del material, lo que hahecho que el rodete parezca equilibrado durante su funcionamiento.


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Las piezas fabricadas mediante SLS estn hechas de poliamida que es un materiala base de nylon y se caracteriza por su dureza y fragilidad. Al ser un material frgil sehace difcil la reutilizacin del prototipo y hacer las modificaciones necesarias durantetodo proceso de optimizacin del mismo.

Debido a la escala impuesta por la impresora 3D ha habido que realizar distintoscambios sobre el diseo inicial, como es el caso de la tubuladura. Su espesor era menorque el crtico, por lo que se renunci a fabricarla y ha influido en el comportamiento dela bomba-turbina. La tubuladura hace que el caudal de la bomba y la turbina seanindependientes. De esta forma, al renunciar a su fabricacin, el caudal que entraba a la

bomba radial no tena solo componente radial reduciendo por tanto la altura aportada.

No se ha podido realizar el ensayo con la altura bruta de diseo, por lo que no hasido posible verificar el comportamiento final de la bomba-turbina. Sin embargo, se hanrealizado ensayos menores verificando que la bomba ha aportado una altura menor a laesperada. Esto se atribuye a que el caudal de cortocircuito puede que sea mayor que el

caudal que circula por la bomba, as como a la ausencia de la tubuladura mencionadaanteriormente.

La impresin en 3D es un mtodo potente a la hora de investigar con nuevosprototipos, a pesar de sus limitaciones. Permite variaciones de geometra y su posteriorfabricacin de una manera rpida y barata.

Referencias

[1]

Tailer, Peter. Lukertech. The Spiral Pump. [En lnea]

http://lurkertech.com/water/pump/tailer/.

[2]

Mataix, Claudio. 2009. Turbomquinas Hidruilcas: Turbinas

hidrulicas, bombas y ventiladores. Madrid : Publicaciondes de la

Universidad Pontificia Comillas, 2009. ISBN.


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PROTOTYPING AND TEST OF A PUMP-TURBINE SCALE MODEL

Author: Urbina Soguero, Cayetana de.

Directors: Arenas Pinilla, Eva.; Cantizano Gonzlez, Alexis.; Porras Galn, Jos.

Collaborating institution: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.

SUMMARY OF THE PROJECT

The concept of pump-turbine arise from the objective of having a turbomachineformed by an axial turbine and a radial pump. With this machine is expected to pump inan autonomous way without the need of an external engine, supplying water to placeswhich have difficult access to energy. From the designs made in previous projects, thegoal of the actual project is the prototyping of the pump-turbine through techniques ofadditive manufacturing. Amongst the fundamental objectives of this project are the design

in 3D of all the parts of this machine, with the aim of having available the files in whichmake modifications in an easy and quick way, and is the first step for the manufacturingof the prototype; the manufacturing of the prototype by SLS and FDM; and, the test ofthe machine and the subsequent analysis of the results.

State of the Art

Similar ideas to the pump-turbine have been used lengthwise in the history, withthe hydraulic noria and the spiral pump, and nowadays with the Barsha Pump. The noriawas a device which had a great impact during the Middle Age, therefore allowed to usethe force of a current in the blades of the noria to lift water. It is considered the predecessorof the actual turbines, hence it uses the force of moving water as a power source. The firstwatermills and norias used to have straight blades, afterwards progress to parabolic

blades, thus it was observed that the force of the water was used with more intensity. Atthe end of the XVIII century the first turbines appeared and during the IndustrialRevolution had an important role, subsequently the growing interest of producing energy.In spite of the high efficiency of the turbines in comparison with the watermills, the useof it was not ended, and in certain places it was used to produce flour of lifting water tocrops. The pump-turbine has a similar objective to the watermill, both use the force ofmoving water as a power source. The difference is that the mechanic system of liftingwater used in the noria is replaced by the change of pressure produced in the radial pump

of the pump-turbine.

The Barsha pump is a device invented by a Dutch start-up that have a similar goalto the pump-turbine. It is about a machine headed for little and middle crops, as asustainable alternative to the actual pumps used with the same purpose. The operation ofthe Barsha pump is based in a spiral pump which is characterized of having a tube rolledin a horizontal axis, one of the sides of this tube is open and is immersed in the water onetime per revolution, and consequently part of the spiral is filled of water and the other

part of air. The critical part is considered the rotatory joint needed at the exit of the pump,thus the pump is rotating while the pipe is static.


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A similar solution was carried out in Zambia, where the Seattle University built amachine similar to the Barsha pump with the objective of supplying water to a village.Different options were evaluated, like radial pumps or a hydraulic ram, but the economicsolution was a spiral pump powered up by a watermill.

In the other hand, the additive manufacturing is commencing to be a growingsector in the area of creating prototypes. It is starting to be a quick way of manufacturingcomplex parts like pumps or turbines. Numerous studies have been realised with the goalof analysing the existing processes of additive manufacturing. An example is the creationof an impeller of a regenerative pump, which presents a complex geometry, and theeasiest and fastest way of obtaining the prototype was through processes of additivemanufacturing. In this study the impeller was manufactured with different techniques, itshould be pointed out the FDM process which consisted in the use of ABS, athermoplastic very resistant. It is heated some degrees over it glass transition temperature,and when it becomes into contact with the rest of the material it is cooled quickly and issolidified to the previous layer. Once the layer is completed the platform descend and the

process described is repeated. The conclusion of this study was that this technology wasthe only one capable of manufacturing the prototype for a direct use.

Another study carried out was the manufacturing of an impeller from an axialblood pump, because its complex geometry a way of additive manufacturing was soughtto create the prototypes, such as SLS, SLA or FDM. SLS consists in injecting a layer of

powder and a laser melts the material, once the first layer is completed the platformdescends, repeating this process. The pieces manufactured by SLS does not need bracketmaterial because the powder acts as a support. The conclusion obtained is the importanceof the placement of the pieces in the machine, thus the direction of the laser affects to theroughness that appears in the pieces. The pump-turbine has been manufactured by SLS,and the material used is polyamide. In addition a model of impeller has been made byFDM, but it has needed a subsequent chemical treatment in acetone to reduce itsroughness and turn it waterproof.

Manufacturing

The pump-turbine consists in an impeller, additionally compounded of an axialturbine and a radial pump; has also two drums, one at the entry and other at the exit; twoconical covers that reduce the pressure drops; and a volute, for its manufacturing has beendivided into two, and it contains the discharge port.

The first step carried out for the manufacturing of the prototype has been thecreation of all the parts in 3D, the software used has been SolidEdge. The objective ofhaving accessible files, in which introduce changes, have been accomplished, the secondimpeller made by FDM was modified and manufactured in a short period of time.


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Figure I: Impeller designed in SolidEdge

For the prototyping of the pump-turbine a scale of 1/5 has been applied, the reasonwhy of this scale has been because the dimensions of the real model did not fit in the SLS

printer. Subsequently critical widths, the ones which are difficult to manufacture becauseof the tolerance of the 3D machine, have been evaluated.

The difficult parts to manufacture have been the blades of the turbine and thepump. For the pump blades a function that establish the width for each ratio and anglehas been used. In addition a Gttingen 682 profile has been used for the blades of theturbine. The design of it has been made for five diameters which divide the flow in a

cylinder, for each diameter the curvature, the chord and attack angle have been obtained.In theTable I could be observed the dimensions of the blades for this five diameters, usedin the design of the turbine in SolidEdge.

Diameters (mm) Chord (mm) e () e(rad)

dc 31,6 44 -37,0 -0,6

dx 50 42 -28,0 -0,5

dm 68,6 38 -23,3 -0,4

dy 87 34 -20,3 -0,4

dp 105,4 32 -17,9 -0,3

Table I: Five diameters used in the turbine design

Another important part of the pump-turbine is the volute, which is in charge oftransforming the kinetic energy in pressure energy. It is a spiral casing with a trapezoidalsection. In the union between the volute and the impeller a labyrinth seal has been madein order to reduce the intern leakage.

The rest of the parts are the drums at the entry and exit which contain the cavityfor the bearings and give consistency to all the pump-turbine, and contain NACA 0018

blades; and, the conical covers that reduce the pressure drop.

Once all the designs have been made, the prototype has been manufactured bySLS. In this process is used powder, because of it all the parts of the pieces have needed


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a cleaning. Finally is important to say that the position of the pieces in the 3D machine iscrucial, in order to make less errors in the fabrication and reduce the roughness of the

pieces.

Figure II: Prototype manufactured by SLS

Test

Two tests have been realised, one that could be called primitive in which theobjective was evaluate the behaviour of the pump-turbine after its assembly; and anothertest in which a little dam in which the pump has given a height lower than the expected.

Conclusions

In the comparison made between the prototype and the model, the conclusion thatis got is that the pieces manufactured are different to the ones designed in 3D, this ismainly because the existence of the tolerance in the 3D machine. In addition, the positionof the pieces in the 3D printer has made them to get a higher roughness than the oneexpected and also more errors during the manufacturing than the ones committed if the

pieces would have been fabricated in another position. This roughness affects to thepressure drop. One possible solution is a subsequent treatment of machining or sandingfollowed the painting of all the parts, although the complex geometry makes difficult both

treatments, none of them have been applied.

On the other hand, the impeller manufactured by FDM has in addition moreroughness and is not waterproof, this situation is solved by a chemical treatment withacetone that reduces the material and, subsequently, the leakage is increased.

The pieces fabricated by SLS are made by polyamide which is a material madefrom nylon and is characterized for its hardness and fragility. This fragility makesimpossible the reuse of the prototype and the modification of it.

Because the scale applied, some changes have been made from the initial design,for example the construction of a part in the entry drum which its function is dividing theflow that entries to the turbine and to the pump. Because its width after applying the scale


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a decision of not manufacturing it was made, and it has resulted to be crucial in thebehaviour of the pump. Because its absence the flow that entries to the pump has onemore component, instead of having only a radial flow which is characteristic of this radial

pump.

During the test, the pump has given a height lesser than the expected, this isbecause the absence of the part described and because the leakage flow is higher than thepump flow.

Finally, a good materials distribution has been accomplished, hence the impelleris equilibrated. In addition, having accessible 3D designs, the geometry can be easilychanged and manufacture again the prototype in an easy and cheaper way.

References

[1]Tailer, Peter. Lukertech. The Spiral Pump. [En lnea]

http://lurkertech.com/water/pump/tailer/.[2]Mataix, Claudio. 2009. Turbomquinas Hidruilcas: Turbinas

hidrulicas, bombas y ventiladores. Madrid : Publicaciondes de la

Universidad Pontificia Comillas, 2009. ISBN.

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